管道內(nèi)壁疵病檢測裝置

管道內(nèi)壁疵病檢測裝置

管道內(nèi)壁疵病檢測裝置

TheDeviceforDetectingFlawonthe

InnerWallofPiper

姓名：

班級：

指導(dǎo)教師：

楊剛0722338王金波I

目錄

第一章緒

論...............................................................................

.......................................1

1.1引

...................................................1

1.2檢測技術(shù)要

求...............................................................................

....................................2

第二章檢測儀的原理及方案選

擇...............................................................................

.......3

2.1檢測儀的方案選

擇...............................................................................

...........................3

2.2檢測儀的工作原

理...............................................................................

...........................6

第三章牽引車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和方案設(shè)

計(jì)...............................................................................

8

3.1牽引車的總體結(jié)

構(gòu)...............................................................................

.........................................................8

3.2電機(jī)的選

擇...............................................................................

.................................................................................9

3.3蝸輪，蝸桿傳動系統(tǒng)的設(shè)

計(jì)...............................................................................

.............10

3.4齒輪傳動部分方案的選

擇...............................................................................

..........................14

3.5滾輪壓簧設(shè)

計(jì)...............................................................................

....................................................................19

第四章光電探頭的設(shè)

計(jì)...............................................................................

.................................................25

4.1光電部分的總體設(shè)

計(jì)...............................................................................

..........................................25

4.2光電探頭結(jié)構(gòu)方案選

擇...............................................................................

..............................25

4.3光電探頭的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)

計(jì)...............................................................................

.........................26

4.4CCD的基本原理及特

性...............................................................................

..............................27

4.5光電接受器件CCD的選

擇...............................................................................

.................29

4.6掃描電機(jī)的選

擇...............................................................................

.............................30

第五章微機(jī)控制與圖象處理系

統(tǒng)...............................................................................

....31

5.1微機(jī)硬件系統(tǒng)設(shè)

計(jì)...............................................................................

..........................31

5.2計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)設(shè)

計(jì)...............................................................................

......................32

結(jié)

論...............................................................................

....................................................35

結(jié)束

語...............................................................................

....................................................36

致

謝...............................................................................

....................................................37

參考文

獻(xiàn)...............................................................................

....................................................3811

摘要

本文介紹了一種用于提取管道內(nèi)表面疵病信息的方法和裝置，該裝置利用光學(xué)系統(tǒng)和

CCD器件提取管道內(nèi)表面疵病信息，由計(jì)算機(jī)完成表面疵病信息的圖象處理識別分類。論

述了該裝置的設(shè)計(jì)思想與實(shí)施要點(diǎn)。該裝置主要用于各種細(xì)長鋼管內(nèi)壁質(zhì)量的實(shí)時自動檢

測，能實(shí)現(xiàn)輸入信息的數(shù)字轉(zhuǎn)換、圖象處理、識別分類和輸出顯示等功能。

論文對該裝置的各個部分進(jìn)行了詳細(xì)的論述，其中主要對機(jī)械部分以及光學(xué)探頭兩個方

面進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。在機(jī)械部分中，主要對蝸輪蝸桿傳動符、齒輪傳動系統(tǒng)、彈簧的強(qiáng)

度校核這三個方面進(jìn)行了設(shè)計(jì)。在光學(xué)探頭部分中主要對電機(jī)的選用，CCD器件和光路這

三個方面進(jìn)行了介紹。在電機(jī)的選用中，對電機(jī)的各方面參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，同時，也給出

了電機(jī)的一些基本參數(shù)。在CCD器件的選用中，對CCD器件的原理和部分特性進(jìn)行了介

紹。在對光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，給出了具體的光路圖和光學(xué)元件。

關(guān)鍵詞：內(nèi)表面疵病光學(xué)探頭CCD圖象處理ABSTRACT

Amethodanddeviceforextractingtheinformationofflawsfromtheinner

wallsofpipesarepresentedinthispaper,thedevicegetsfaultworkof

conductinnerfacebyopticalsystemandCCDparts,classifyingthe

informationoffaultworkwiththeimagingprocessingofcomputer,and

describes.ThedeviceisPrimarilyusedforreal-timeautomaticinspecting

qualitytotheinnerwallsofthelongandthinsteelpipes.Itcanperforma

numberoffundamentalfunctionwhichincludedigitalchangesofinput

information,imageprocessing,recognitionclassificationandoutputdisplay.

Thispaperstateseachsectionofthedeviceindetail,emphasizingonthe

mechanicalpartandopticalprobe.Inmechanicalpart,itintroducesthe

essentialtheoryandfeatureofthreesides:wormandwormwheelsystem,gear

drivesystemandstrengthrecheckingofspring.Alsodoesitservethe

accuratecalculatingontheaccessoryofthesethreesides.Inopticalprobe

part,itprovestheselectionofelectricmachinery,CCDpartsandoptical

path.Calculatingandservingtheparameterofelectricmachineryisthemain

bodyinthepartofselectionofelectricmachinery.Narratingthetheoryand

partialfeatureoftheCCDpartsisthecoreinthepartofCCDparts.Showing

theconcretegraphandthetendencyofopticalpathisthenuclearinthelast

part.

Keywords：DetectingflawontheinnerwallOpticalprobeCCDImage

processing第一章緒論

1.1引言

近年來，隨著我國石油與化學(xué)工業(yè)管道施工技術(shù)的發(fā)展，對鋼管內(nèi)防腐表面處理質(zhì)量的

檢測及其可靠性提出了越來越高的要求。傳統(tǒng)的用人眼主觀檢測鋼管內(nèi)表面質(zhì)量的方法已

經(jīng)無法保證管道內(nèi)防腐表面處理質(zhì)量，而且檢測效率低，可靠性差，檢測時需鋸斷大量的

優(yōu)質(zhì)鋼管，故檢測費(fèi)用較高。管道內(nèi)表面質(zhì)量的檢測成為困擾石化工業(yè)管道施工技術(shù)發(fā)展

的一大難題。然而利用本文所述的管道內(nèi)表面質(zhì)量光電檢測儀卻可以很好的解決這一問

題。使用本文所述儀器在保證被檢鋼管完整的前提下，由專門的光電裝置自行進(jìn)入被檢鋼

管內(nèi)部，多處提取被檢鋼管內(nèi)表面的光信息，最后以電信號形式將所提取的信息送入計(jì)算

機(jī)處理系統(tǒng)，由該系統(tǒng)給出檢測結(jié)果。應(yīng)用這種儀器可以檢測內(nèi)徑5n至100mm,長度18m

的各種鋼管內(nèi)表面除銹后的質(zhì)量;這種檢測具有無損、省時，省力、檢測結(jié)果可靠等特

點(diǎn)。

本文主要介紹這種光電檢測儀的工作原理與組成以及光電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該檢測儀由光電

測頭和牽引車等兩部分構(gòu)成。儀器工作時首先由牽引車帶動光電測頭在被檢鋼管內(nèi)移動；

每前進(jìn)0.5m（或1m）后，牽引車制動。光電測頭此時由步進(jìn)電機(jī)帶動，低速旋轉(zhuǎn)90°,在

鋼管內(nèi)表面90°范圍內(nèi)掃描。光電測頭內(nèi)的白熾燈照射到鋼管內(nèi)表面匕帶有內(nèi)表面質(zhì)量

信息的反射光，經(jīng)棱鏡反射入物鏡并成像在CCD匕然后由CCD把反映鋼管內(nèi)表面錨紋度

和殘余銹斑狀況的光信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦畔?，通過電纜傳送至計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，經(jīng)微機(jī)處理，由適

當(dāng)?shù)能浖︿摴軆?nèi)表面錨紋度圖像信息進(jìn)行分類識別（錨紋度的等級標(biāo)準(zhǔn)已存儲在微機(jī)

IA））,最后由打印機(jī)把鋼管內(nèi)表面的錨紋度和殘余銹斑的數(shù)字化圖像可由微機(jī)屏幕實(shí)時顯

O

本文所述的光電檢測儀樣機(jī)已在大慶油田應(yīng)用。這種光電檢測儀對于保證與提高管道內(nèi)

防腐表面處理質(zhì)量，延長鋼管使用壽命，提高管道1

防腐技術(shù)水平與降低管道施工成本有重要意義。在石油和化學(xué)工業(yè)中有著廣闊的應(yīng)用前

景。如果對其軟件系統(tǒng)作適當(dāng)開發(fā)，在鋼鐵工業(yè)和塑料工業(yè)中對鋼管和塑料管內(nèi)表面質(zhì)量

進(jìn)行檢測也將是可行的。

1.2檢測技術(shù)要求

L檢測管道規(guī)格：直徑60,長度10m；

2.牽引車速大于2m/分。儀器每隔1米取樣一次。

3.檢測儀能將被測鋼管內(nèi)壁粗糙度區(qū)分出A,AB,B,BC,C五個等級。

4.計(jì)算機(jī)屏幕實(shí)時顯示鋼管內(nèi)壁數(shù)字化圖象，打印記錄內(nèi)壁粗糙度級別和位置。

2

第二章檢測儀的原理及方案選擇

2.1檢測儀的方案選擇

2.1.1管道內(nèi)表面質(zhì)量檢測的內(nèi)容

（1）.管道中的損傷

-一般將損傷分為直接損傷和間接損傷。直接損傷與管壁本身有關(guān)，這類損傷對管道系統(tǒng)

有直接的影響，比如腐蝕、裂紋或鑿縫等;間接損傷是指材料或系統(tǒng)可能有破壞或故障，

而且這類損傷會隨著時間的推移而引起直接損傷，比如陰極保護(hù)失效、內(nèi)外防腐層破壞。

管道的損傷又可分為兒何變形、金屬損耗、裂紋或類似裂紋的損傷。

（2）.管道裂紋

許多研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)管道裂紋的形成、發(fā)展及避免的方法。核能和航天工業(yè)已經(jīng)廣泛應(yīng)用

斷裂力學(xué)進(jìn)行研究。例如，作用于液體管道的循環(huán)載荷就可能導(dǎo)致斷裂或疲勞腐蝕;當(dāng)金

屬所受應(yīng)力強(qiáng)度超過其本身能承受的強(qiáng)度時，應(yīng)力腐蝕裂紋就會產(chǎn)生，影響應(yīng)力腐蝕裂紋

（SCC）敏感度的參數(shù)包括管壁的應(yīng)力狀態(tài)、管材特性、管道的周邊環(huán)境（包括覆蓋層、土壤

特性等）。為了保證輸送管道、尤其是高壓輸氣管道的安全，研究裂紋生長規(guī)律是至關(guān)重

要的。在管道所受應(yīng)力中，環(huán)向應(yīng)力是最關(guān)鍵的，由于環(huán)向應(yīng)力的作用，任何裂紋繼而都

會向縱向，即軸向發(fā)展。當(dāng)然也有例外，如在管道環(huán)縫焊接處可能會發(fā)生環(huán)向應(yīng)力腐蝕裂

紋。

運(yùn)行管道產(chǎn)生的裂紋可分為病勞裂紋、應(yīng)力腐蝕裂紋(接近中性或高pH值的應(yīng)力腐蝕裂

紋)、氫脆裂紋、硫化氫應(yīng)力腐蝕裂紋、焊接熱效應(yīng)區(qū)裂紋。這些裂紋不僅可出現(xiàn)在縱向

焊縫、熱效應(yīng)區(qū)(HAZ)上，還會出現(xiàn)在管材上。

氫脆裂紋通常出現(xiàn)在酸性環(huán)境中。氫原子通過擴(kuò)散進(jìn)人材質(zhì)后，在材質(zhì)的空穴中重新組

合形成分子并引起內(nèi)部壓力的增加。由于材質(zhì)的脆性和空穴或裂紋各端受到了三向應(yīng)力，

裂紋發(fā)生延伸。由于這種裂紋平3

行于管道，因此可被具有最小側(cè)量范圍的超聲波腐蝕檢測儀檢測出。但由于超聲波束方

向平行于徑向裂紋，因此不能檢測到徑向氫脆裂紋，只能通過推導(dǎo)得出。

裂紋可由其他損傷引起，如凹痕、劃痕等。雖然裂紋的研究非常復(fù)雜，但無論是宏觀地

研究(如斷裂力學(xué))，還是微觀的研究(如冶金學(xué)、位移理論)，都是非常有意義的。

材料缺陷除裂紋之外還有分層，這種缺陷通常出現(xiàn)在無縫鋼管中。通過透視檢驗(yàn)可以看

出這種位于管壁中的缺陷類似于裂紋。管壁分層是在管道預(yù)制過程產(chǎn)生的，它是裂紋的一

種。由于分層通常與管道表面平行，如與環(huán)應(yīng)力平行，因此一般觀點(diǎn)認(rèn)為管道分層沒有多

大影響，也就是說它不會造成管道的破壞。但是如果這種分層與管道表面不平行，或者分

層伸入環(huán)向焊縫，那么情況就不一樣了。對于前者，分層會穿透到管壁面形成裂紋;后

者，分層能與其他管壁損傷相互作用而破壞管道。概括起來，管道裂紋的幾何形狀主要

有：

(a).管壁內(nèi)外表面上向縱向發(fā)展的徑向裂紋(常出現(xiàn)在縱向焊接的熱效應(yīng)區(qū)(HAZ)上，

其中也包括應(yīng)力腐蝕裂紋(see))。

(b).管壁內(nèi)外表面土向切向發(fā)展的徑向裂紋(常出現(xiàn)在管道承受彎曲載荷的環(huán)向焊縫

處)。

(c).圓周方向上的不同幾何尺寸的內(nèi)裂紋。(在輸送酸性氣體管道中由于氫的滲透而

逐步發(fā)展的裂紋)。

2.1.2.管道內(nèi)表面質(zhì)量的檢測方法

隨著無損探傷技術(shù)的發(fā)展及市場上各類型檢測儀的增加，要準(zhǔn)確地選擇滿足特定檢測需

求的檢測儀變得越來越困難，尤其是不同類型檢測儀的部分檢測功能的重疊更增加了選型

的難度。比如，金屬損耗檢測儀可以檢測一定類型的裂紋，而裂紋檢測儀也可依據(jù)一定的

檢測條件分辨鉗壓痕和其他的幾何變形。

裂紋檢測的問題在于沒有一種設(shè)備可以準(zhǔn)確檢測出各種類型的裂紋及其幾何尺寸。例

如，目前市場上可以購到的超聲波無損探傷儀只能檢測管壁和焊縫的包括應(yīng)力腐蝕的縱向

裂紋。如需檢測管道環(huán)縫焊接處4

潛在的徑向裂紋，就需調(diào)整傳感器位置，使超聲波可檢測不同方向的裂紋。一個不規(guī)則

裂紋或損傷的幾何形狀就需要采用不同類型的檢測儀進(jìn)行檢測。

(1).超聲波檢測儀

目前，市場上有多種利用超聲波檢測技術(shù)檢測裂紋的檢測儀。其中有2種專門用于裂紋

檢測，其他的既可以用于檢測金屬損耗，也可用于檢測和定位特定幾何形狀的裂紋。

(2).彈性波檢測儀

最初，在線檢測儀主要用于金屬損耗的檢測和確定其尺寸，如漏磁檢測儀是19世紀(jì)80

年代初期智能清管器采用的惟一儀器。但是很快就發(fā)現(xiàn)這種技術(shù)并不是最佳的測量管道二

維縱向損傷(如應(yīng)力腐蝕和疲勞裂紋)的技術(shù)。另一方面，超聲波檢測技術(shù)是最適合于材料

缺陷檢測的技術(shù)。所以，英國天然氣公司利用超聲波技術(shù)開發(fā)裂紋檢測儀，這種技術(shù)同樣

可用于氣體管道。該方法主要創(chuàng)新在于利用輪式探測儀屏蔽超聲波傳感器。

在發(fā)展過程中，這種儀器所面臨的主要問題是數(shù)據(jù)的處理。在裂紋檢測過程中，所產(chǎn)生

的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過任何類型的金屬損耗檢測數(shù)據(jù)。經(jīng)過對這些數(shù)據(jù)的處理以完成真假缺陷的

判定、真裂紋與類似裂紋缺陷的區(qū)分以及確定裂紋的尺寸和位置等。

(3).斜射法超聲波探傷儀或超聲波探傷儀

利用斜射法的超聲波探傷儀于19世紀(jì)90年代引人市場。這種儀器不僅可應(yīng)用于應(yīng)力腐

蝕裂紋的檢測，還可用于檢測發(fā)生于基材和較長焊縫上的裂紋。通過觀察管壁上超聲波傳

感器的排列就可判斷出裂紋。傳感器在管壁內(nèi)成一定角度安裝以保證管壁內(nèi)的超聲波束在

45。范圍內(nèi)傳播，能完成這種功能的排列為最優(yōu)排列方式。其傳感器利用聲波反射原理工

作。

根據(jù)儀器的尺寸，一個超聲波探傷儀大致需要1024個以上的超聲波傳感器。這種儀器

可測量的最小值是長度為30mm,深度為1mm的裂紋。實(shí)踐證明其性能極為優(yōu)良，大量數(shù)

據(jù)證實(shí)其在長度上的檢測精度達(dá)到100%,深度上的精度超過85魅示準(zhǔn)設(shè)置的超聲波探傷

儀用來檢測5

軸向裂紋，即檢測管道縱向裂紋(無論其位于內(nèi)表面、外表面或壁內(nèi)部)。通過調(diào)整傳感

器位置，將其旋轉(zhuǎn)90°,探傷儀就可檢測環(huán)向裂紋。

2.2檢測儀的工作原理

2.2.1檢測儀的總體結(jié)構(gòu)

這種光電檢測裝置由牽引車、光電測頭和微機(jī)控制與圖象處理系統(tǒng)等三個主要部分組成;

以CCD作為傳感器，使用IBMPC/AT286作為主控系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

圖2-1檢測儀的結(jié)構(gòu)原理圖

1.支撐輪2.蝸桿

3.蝸輪4.牽引車外殼

5.直流電機(jī)6.牽引掛鉤

7.步進(jìn)電機(jī)8.聯(lián)軸器

9.支撐10.直角反射棱鏡

11.光電探頭外殼12.CCD攝相頭

2.2.2檢測儀的工作過程

光電檢測裝置工作時，首先由牽引車1帶動光電測頭在被檢測鋼管內(nèi)移動;每前進(jìn)一定

距離后、牽引車制動。然后，光電測頭由步進(jìn)電動機(jī)2驅(qū)動開始旋轉(zhuǎn)，在鋼管內(nèi)壁90。范

圍內(nèi)掃描。此時，光電測頭內(nèi)的白熾燈3發(fā)出的光透過探測窗7照射到被檢測鋼管的內(nèi)表

面匕帶有鋼管內(nèi)壁疵病信息的反射光經(jīng)探測窗7和反射棱鏡4進(jìn)人物鏡5,并成象在探

測器件CCD6ho然后由CCD把反映鋼管內(nèi)壁疵病的光信息變?yōu)殡娦盘?，通過電纜10和接

口電路送入微機(jī)控制與圖象處理系統(tǒng)，由6

適當(dāng)?shù)能浖︿摴軆?nèi)壁疵病的數(shù)字化圖象信息進(jìn)行識別分類；最后由打印機(jī)把被檢測鋼

管內(nèi)壁疵病的等級打印出來。

7

第三章牽引車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和方案設(shè)計(jì)

3.1牽引車的總體結(jié)構(gòu)

3.1.1牽引車的構(gòu)成

牽引車的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。其主體部分由支撐輪、牽引車外殼、蝸輪蝸桿系統(tǒng)、直

齒傳動系統(tǒng)、直流電機(jī)等，幾部分組成。牽引車運(yùn)動時，由直溜電機(jī)作為力源，帶動直齒

轉(zhuǎn)動，直齒與蝸桿連接。通過蝸輪蝸桿系統(tǒng)，將橫向傳動轉(zhuǎn)換為縱向運(yùn)動，從而使小車運(yùn)

動起來。

3.1.2總體設(shè)計(jì)的技術(shù)要求

在小車的總體設(shè)計(jì)時，首先要考慮電機(jī)的性能參數(shù)，如：功率、力矩、轉(zhuǎn)速、外行尺寸

等。然后，要對直齒輪傳動系統(tǒng)和蝸輪蝸桿系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算。由于再本次設(shè)計(jì)中，對儀器的

外行尺寸要求的較小，所以在第二步計(jì)算中可以不考慮強(qiáng)度方面的計(jì)算，但要給出對外行

尺寸的精確計(jì)算。最后，要對支撐輪中的彈簧進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。

在牽引車的結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)中，要充分考慮到裝配時孔軸之間的配合關(guān)系。還要考慮到牽

引車的外行設(shè)計(jì)時，要注意到外殼的工藝問題。主要是要注意，在棱角部位的圓角和倒角

的設(shè)計(jì)。還要考慮螺釘孔的位置問題，一定要把螺釘孔開在便于裝配的位置上。最后，應(yīng)

該考慮到牽引車的內(nèi)部零件的裝配問題，在外殼的設(shè)計(jì)中，應(yīng)注意開口位置是否合理，大

小是否合適，盡量使儀器在安裝時可以作到方便、快潔。

在設(shè)計(jì)的最后階段，要注意到直齒的軸線與蝸桿軸線的同軸度是否良好，只有當(dāng)直齒的

軸線與蝸桿軸線之間具有良好的同軸度，才能使?fàn)恳囋谶\(yùn)動時具有良好的穩(wěn)定性。

8

圖3-1牽引車的總體結(jié)構(gòu)圖

1.彈簧導(dǎo)桿2.壓簧調(diào)整螺母3.壓簧座

4.壓簧5.螺釘6.螺釘

7,滾輪架8.軸9,壓蓋

10.螺母11.軸承12.本體下蓋

13.蝸桿14.銷15.大齒輪

16螺釘17.車體端蓋18.電機(jī)座

19.螺母20.墊圈21.螺釘

22.后蓋板23.牽引鉤24.電機(jī)

25.套筒26.小齒輪27.鍵

28.墊圈29.螺母30.蝸輪

31.鍵

3.2電機(jī)的選擇

根據(jù)牽引車的總體外行尺寸，設(shè)計(jì)中取牽引車總重Pl1kg,車輪

外緣的橡膠包裹用以增大牽引車與管道內(nèi)壁的摩擦系數(shù)，設(shè)計(jì)中取f

10.6o車輪半徑為18mm。光學(xué)部分的總重取P21kg,f2=0.3。

9

電纜P3=0.2kg,

Mf(Plf3=0.3?計(jì)算儀器總摩擦力矩：flP2f2P3f3)gR

=(1X0.6+1X0.05+0.2X0.3)X9.8X0.018

=0.125Nm

根據(jù)電機(jī)力距大小，同時考慮牽引車的總體尺寸，決定定做一個微型電機(jī)。

電機(jī)參數(shù)如下：

額定電壓：12V額定電流：0.05A額定功率：0.63W

轉(zhuǎn)速:1200r/min轉(zhuǎn)距:

129kgcm]

圖3-2電機(jī)圖

確定爬行速度2m/min左右，確定車輪半徑r=18mm所以總傳動比

i120012003.1410.018212003.1410.01867.8522

2r

分配傳動比：

分給蝸輪，蝸桿的傳動比il2=60。則分配給齒輪系統(tǒng)的傳動比

i341.13,

3.3蝸輪，蝸桿傳動符的設(shè)計(jì)

3.3.1蝸桿傳動的概述

蝸桿傳動（圖3-3）常用于傳遞空間兩交借軸（不平行又不相交）間的10

運(yùn)動和功率，兩軸的軸交角一般為90°。通常是蝸桿1為主動件，蝸輪2作主動件的情

況很少。

蝸桿傳動廣泛地用于各種機(jī)械和儀器中，它具有下列優(yōu)點(diǎn)：（1）一級傳動就可以得到很大

的傳動比，在動力傳動中，?般i=7?80,在分度機(jī)構(gòu)中可達(dá)500以上；（2）工作平穩(wěn)無噪

聲；（3）可以自鎖，這對于某些設(shè)備是很有意義的。缺點(diǎn)是：（1）傳動效率低，自鎖蝸桿傳動

的效率低干50%;

（2）因效率低，發(fā)熱大，故不適用于功率過大（一般不超過100KW）長期連續(xù)工作處；（3）

需要比較貴重的青銅制造蝸輪齒圈。

根據(jù)蝸桿的形狀，蝸桿傳動可分為圓柱蝸桿傳動（圖3-3）和環(huán)面蝸桿傳動（舊稱球面

蝸桿傳動，圖3-4）兩種。圓柱蝸桿由于制造簡單，所以在機(jī)械傳動中廣泛應(yīng)用。環(huán)面蝸

桿傳動的潤滑條件較好，效率高，但制造較難，多用于大功率傳動。

圖

3-3

圖3-4

3.3.2蝸輪、蝸桿的設(shè)計(jì)

參考《儀器儀表設(shè)計(jì)手冊》蝸輪，蝸桿設(shè)計(jì)中選取模數(shù)m=0.5,P411,11

蝸桿頭數(shù)Zl1,分度圓直徑df8,蝸輪齒數(shù)Z260,貝I」：

（1）蝸桿參數(shù)的確定

61

圖3-5蝸桿零件圖

齒距：tm0.51.571od中心距：AfDO

2

083019o2齒型角：020。

蝸桿導(dǎo)程：StZl1.571。

齒頂圓直徑：dedf2m8190

齒根圓直徑：didf2.5m81.256.75。分度圓柱上的螺旋導(dǎo)角：

tgfm0.50.0625,8dl

f

齒高：hl2.25m1.125?

(2)蝸輪參數(shù)的確定：f3°34'34"。蝸桿長：L2m2Z210.954。

12

圖3-6蝸輪零件圖

分度圓直徑：DOZ2600.530o

齒頂圓直徑：Dedo2m30131。

齒高：h2.25m1.125?

齒根圓直徑：DiDO2.5m302.50.528.75?

輪側(cè)切面中心角之半：

(0.0221.3)2t(0.02601.3)21.5710.821t81.571df

47°r32"齒面曲率半徑：Rd

2fm3.5。

齒根寬：bdesin6。

蝸輪寬：Bb0.25t60.251.5716.4。輪緣外徑:

DsDe1(df2m)(1cos)2

13

31170.318332.114。2

3.4齒輪傳動部分方案的選擇

3.4.1齒輪傳動的應(yīng)用和種類

齒輪傳動是近代機(jī)械制造中用得最多的傳動形式之一。和其他傳動形式比較，它具有下

列優(yōu)點(diǎn)：（1）能保證傳動比恒定不變；（2）適用的載荷與速度范圍很廣，傳遞的功率可由很小

到幾萬千瓦，圓周速度可達(dá)150m/s

（3）結(jié)構(gòu)緊湊；（4）效率高，一般效率0.94?0.99;（5）工作可靠且壽命長。其主要

缺點(diǎn)是：（D對制造及安裝精度要求較高；（2）當(dāng)兩軸間距離較大時，.采用齒輪傳動較笨

重。近年來，由于齒輪制造技術(shù)的迅速發(fā)展，加工精度的不斷提高，齒輪的應(yīng)用范圍更加

擴(kuò)大，因此，齒輪在機(jī)械制造業(yè)中的重要性就更為顯著。

齒輪的分類方法很多，為了便于研究其傳動原理和設(shè)計(jì)，可按下述幾種法分類。

按照兩輪軸的相對位置可以分為：

（1）圓柱齒輪傳動它用于平行軸間的傳動。按照輪齒和輪軸的相對位置，圓柱齒輪又可

分為直齒圓往齒輪（圖3-7）、斜齒圓柱齒輪（圖3-8a）及人字齒輪（圖3-8b）o此外，按照

輪齒排列在圓往體的外表面、內(nèi)表面或平板上，它又可分為外齒輪（圖3-7）、內(nèi)齒輪（圖

3-9）及齒條（圖3-10）。

圖3-7圖3-814

圖3-9圖3-10

（2）錐齒輪傳動它用于相交軸間的傳動。錐齒輪也分為直齒（圖3-11）,斜齒和弧齒錐

齒輪。

(3)交錯軸斜齒輪傳動它用于空間既不平行又不相交的兩交錯軸間的傳動(圖3-12)。

交錯軸斜齒輪傳動只能傳遞小功率，一般用于傳遞運(yùn)動。

圖3-11圖

3-12

圖3-13

(4)蝸桿傳動它用于交錯軸間的傳動(圖3-13)。兩軸交錯角通常為

按照齒輪傳動的工作情況叮以分為:

(1)開式齒輪傳動齒輪是外露的，灰塵等容易落人，只能定期添加潤滑劑潤滑，所以輪

齒易磨損，多用于低速傳動。

(2)閉式齒輪傳動齒輪全部裝在潤滑良好的密封剛性箱體內(nèi)，所以潤滑條件好，裝配易

精確，多用于重要的傳動。

按照齒輪的圓周速度可以分為：

(1)低速傳動，圓周速度vV3m/s;(周中速傳動,v=3?低m/s;⑶高速傳動,t>15m/s?

3.4.2齒輪嚙合的基本定律

齒輪傳動最基本的要求是其瞬時角速比(或稱傳動比)必須恒定不變。否則當(dāng)主動輪以等

角速度回轉(zhuǎn)時.，從動輪的角速度為變數(shù)，因而產(chǎn)生慣性力，影響輪齒的強(qiáng)度，使其過早破

壞，同時也引起振動，影響其工作精度。

現(xiàn)討論齒廓的形狀符合什么條件,才能保證齒輪傳動的瞬時角速比為常數(shù)的問題。

圖374所示為兩嚙合齒輪的齒廓cl和c2在K點(diǎn)接觸的情形。設(shè)

則齒廓c上K點(diǎn)的速度vK；和，

齒廓c上K點(diǎn)速度vK。兩輪的角速度分別為2121112222

過K點(diǎn)作兩齒廓的公法線NN與連心線0102交于P點(diǎn)，為了保

證兩輪連續(xù)和平穩(wěn)的運(yùn)動，vl和v2在NN上的分速度應(yīng)相等。

過02作NN平行線，并與01K的延長線交于Z點(diǎn)。因△跖1?與4

的三邊互相垂直，故△Kabs4K02Z,因而

KZ(3-1)vOK

KKZ(3-2)0K0K12211

22216

即KZ(3-3)K1

21

又因在△0102Z中PK〃2Z,故

P(3-4)KP

P因而得(3-5)0PKZ12112

22

上式說明兩輪的角速度與連心線被齒廓在接觸點(diǎn)處的公法線所分得的兩線段成反比。P

由此可見，要使兩輪的角速度比恒定不變，則應(yīng)該使恒為常0P

數(shù)。但因兩輪的軸心0及0為定點(diǎn)，及為定長，故欲滿足上211212

述要求，必須使P成為連心線上的一個固定點(diǎn)。此固定點(diǎn)P成為節(jié)點(diǎn)。

因此，欲使齒輪傳動得到定傳動比，齒廓的形狀必須符合下列條件：不論輪齒齒廓在任

何位置接觸，過接觸點(diǎn)所作齒廓的公法線均須通過節(jié)點(diǎn)Po這就是齒廓嚙合的基本定律。

理論上，符合上述條件的齒廓曲線有無窮多，但齒廓曲線的選擇還應(yīng)考慮制造、安裝等

要求。工程上通用的齒廓曲線多為漸開線、擺線和圓弧。由于漸開線齒廓易于制造，故大

多數(shù)的齒輪都是用漸開線作為齒廓曲線的，擺線齒輪僅用于儀表中。

如圖9-8所示，分別以01和02為圓心及01P及02P為半徑作兩

個圓，并由式(3-1)可得

P1122P(3-6)

即通過節(jié)點(diǎn)的兩圓具有相同的圓周速度，它們之間作純滾動，這兩圓稱為齒輪的節(jié)圓。

17

圖3-14

3.4.3齒輪的設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)，要求整個系統(tǒng)應(yīng)體積小，既能在50的鋼管內(nèi)壁內(nèi)自由出入；牽引車的

速度應(yīng)大于2米/分，并有一定牽引力。因此，選用電動機(jī)作為儀器運(yùn)動的力源。其傳動

任務(wù)結(jié)構(gòu)可能有兩種方案：

(1).利用錐齒輪付傳動。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是傳動平穩(wěn)，可靠，傳動效率高。缺點(diǎn)是工

藝較復(fù)雜，制造費(fèi)用高。

(2).采用螺旋齒輪付傳動。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是傳動鏈短，體積小，制造簡單，工藝流

程短，制造費(fèi)用小?？朔说谝环桨钢圃熨M(fèi)用高的缺點(diǎn)，因此是被選用的方案。

Z1z2

圖3-15直齒圓柱齒輪傳動

取模數(shù)m0.5,齒數(shù)Z123,Z226,則:

壓力角：200

/N

I

18

分度圓直徑：d]mZl11.5

d2mZ213o

齒頂高：ham0.5o

齒根Bj：hf1.25m0.625o

齒全高：h2.25m1.125o

頂隙：c0.25m0.125。

齒頂圓直徑：daldl2ha11.5112.5,

d

齒根圓直徑：d

d

a2fld22ha13114,dl2hf11.51.2510.25,

d22hf131.2511.72。0f2基圓直徑：dbldlcos11.5cos2010.81

db2d2cos13cos2012.22?

0.785。1（）（11.513）12.25O2dld20齒距：Pm1.57。齒厚：

Sm2標(biāo)準(zhǔn)中心距：a

齒寬：b10m5。

3.5滾輪壓簧設(shè)計(jì)

3.5.1彈簧概述

彈簧是一種彈性元件，它廣泛應(yīng)用在各種機(jī)器中。和多數(shù)零件的要求相反，彈簧要求剛

性小、彈性高，受外力后能有相當(dāng)大的變形，而隨著載荷的卸除，變形消失，能恢復(fù)原

狀。彈簧的功用有：（1）緩沖及減振，例如車輛彈簧.，各種緩沖器或彈性聯(lián)軸器中的彈

簧（2）控制機(jī)構(gòu)的運(yùn)動或零件的位置，例如凸輪機(jī)構(gòu)、摩擦輪機(jī)構(gòu)、離合器、閥門以及

各種調(diào)速器中所用的彈簧；（3）貯存能量，例如鐘表、儀器中的彈簧；

19

（4）測量力和轉(zhuǎn)矩，例如彈簧秤及發(fā)動機(jī)示功器中所用的彈簧等。

圖3-16

彈簧的類型很多，根據(jù)外形來分，彈簧主要有板彈簧和螺旋彈簧兩種。板彈簧是由幾片

寬度相同長度不同的彈簧鋼板疊合而成，如圖（3-16）所示。螺旋彈簧是用金屬絲按螺旋

線卷繞而成。由于用圓截面金屬絲繞成圓柱形的螺旋彈簧制造簡便，因此它在機(jī)器中應(yīng)用

最廣,如圖3-17、3-18和3T9所示。

根據(jù)所承受的載荷類別不同螺旋彈簧可分為：（1）拉伸彈簧（圖3-17）用來承受軸向

拉力；（2）壓縮彈簧（圖3-18）用來承受軸向壓力；（3）扭轉(zhuǎn)彈簧（圖3-19）用來承受

轉(zhuǎn)矩。

圖3-17圖3-18

拉伸彈簧的末端形狀要根據(jù)裝配情況而定，如圖3-17所示為幾種常用的結(jié)構(gòu)，其中圖

3T7b、c所示的結(jié)構(gòu)較好，其末端的彈簧絲不至于如圖3T7a所示那樣因彎扭而降低其強(qiáng)

度，但成本較高。

20

圖3-19

圖17所示為壓縮彈簧的典型端部結(jié)構(gòu)，其中圖17a所示的端部不磨平，37但兩端各

有?圈并緊，使彈簧站得平直，這幾圈不參預(yù)工作變形，44

稱為支承圈（又稱死圈）。重要用途的壓縮彈簧端部結(jié)構(gòu)應(yīng)

如圖17b所示，它不僅有支承圈，并且末端磨平。

圖3-19所示為扭轉(zhuǎn)彈簧兩端用以傳遞轉(zhuǎn)矩的兒種掛鉤形式。

3.5.2彈簧的制造、材料和許用應(yīng)力

（1）.彈簧的制造

螺旋彈簧的制造過程包括:卷繞、兩端面加工（指壓縮彈簧）或掛鉤的制作（指拉伸彈簧和

扭轉(zhuǎn)彈簧），熱處理和工藝性試驗(yàn)等。

大量生產(chǎn)時，卷繞工作在自動機(jī)床上進(jìn)行;小批生產(chǎn)則常在普通車床上或者用手工卷繞

器在心軸上卷制。彈簧的卷繞方法可以分冷卷和熱卷。當(dāng)彈簧絲直徑小于或等于8mm時常

用冷卷方法。冷卷時將預(yù)先熱處理好的材料在常溫下卷成，,般不再淬火，只加以低溫回

火消除內(nèi)應(yīng)力。彈簧絲直徑較大而彈簧直徑較小的彈簧則常用熱卷，卷成后必須進(jìn)行淬火

與回火處理。彈簧在卷繞和熱處理后要進(jìn)行表面檢驗(yàn)及工藝性試驗(yàn)來鑒定彈簧的質(zhì)量。

彈簧制成后如再進(jìn)行特殊處理（如強(qiáng)壓處理或噴丸處理），可以提高彈簧的承載能力和疲

勞壽命。

（2）.彈簧的材料

彈簧在機(jī)器中常起著重要的作用，常承受交變載荷和沖擊載荷，所以對彈簧的材料提出

較高的要求，一般應(yīng)具有高的彈性極限、疲勞極限、

21

一定的沖擊韌性、塑性和良好的熱處理性能等。常用的彈簧材料有優(yōu)質(zhì)碳素鋼、合金

鋼、不銹鋼和有色金屬合金。

碳素彈簧鋼價廉又易于獲得，故應(yīng)用最廣，如65、70、85等碳素彈簧鋼，經(jīng)熱處理后

力學(xué)性能較好，但當(dāng)彈簧絲直徑大于12mm時、不易淬透，故僅適用于制造小尺寸的彈

簧。

承受變載荷和沖擊載荷的彈簧應(yīng)采用合金彈簧鋼，常用的有硅鎰鋼和銘銳鋼等，但價格

較貴。

在潮濕、酸性或其他腐蝕性介質(zhì)中工作的彈簧，宜采用有色金屬合金，如硅青銅、錫青

銅等。也還有用工程朔料制造彈簧。

表3T碳素彈簧鋼絲的抗拉強(qiáng)度s（Mpa）

注：B級適用于低應(yīng)力彈簧；C級適用于等應(yīng)力彈簧；D級適用于直徑范圍為6曬以下的

高應(yīng)力彈簧。

選擇彈簧材料時應(yīng)充分考慮彈簧的工作條件(載荷的大小及性質(zhì)，工作溫度和周圍介質(zhì)

的情況)、功用、重要性和經(jīng)濟(jì)性等因素。一般應(yīng)優(yōu)22

先采用碳素彈簧鋼絲。

(3).彈笠的許用應(yīng)力

影響彈簧許用應(yīng)力的因素很多，除了材料種類外，還有材料質(zhì)量、熱處理方法、載荷性

質(zhì)、彈簧的一「作條件和重要程度以及彈簧絲的直徑等。通常，按載荷性質(zhì)彈簧可分為三

類：I類-----受變載荷作用次數(shù)在10次以上或很重要的彈簧，如內(nèi)燃機(jī)氣門彈簧、電

磁閘瓦制動器彈簧；II類——受變載荷作用次數(shù)在10?10次及受沖擊載荷的彈簧，如調(diào)

速器彈簧、一般車輛彈簧；III類------受變載荷作用次數(shù)在10次以下的，即基本上受靜

載荷的彈簧，如一般安全閥門彈簧、摩擦式安全離合器彈簧等。

3.5.3強(qiáng)度計(jì)算：

最大工作負(fù)荷：P20.92kg。

工作行程：L10mm。

選取材料為65Mn?

(1).由《光學(xué)儀器設(shè)計(jì)手冊》表T-6查得P20.8P3所以允許極限負(fù)荷P3彈簧設(shè)

計(jì)取P1120.921.15kg則最小工作負(fù)荷P1(?)P3330.83635111.150.383kg

P333

(2).查表7-9進(jìn)行初選

P20.90kg

(3).彈簧車岡度P31.13kgP'10.23kg/mmD8mmd0.6mmt4.12mm

P，21

L0.920.3830.053710

(4).彈簧壓數(shù)

nP'1

10.325.96圈6圈0.053723

(5)?實(shí)際鋼度

P'10.32

n60.053kg/mm

(6).最小工作負(fù)荷

P，

1P2PL0.920.053100.39kg

(7).端部結(jié)構(gòu)選為：并緊摩平?？?cè)?shù)nl628圈

(8).自由高度

Hnt1.5d64.121.50.625.26mm

(9).最大工作負(fù)荷下的變形量F2.9

2P0

0.05316.98mm

(10).最小工作負(fù)荷下的變形量F10.383

1P'0.0537.23mm

(11).最大工作負(fù)荷下的高度

H2HF225.6216.988.64mm

(12).最小工作負(fù)荷下的高度HlHFl25.627.2318.39mm

(13).彈簧展開長度

D2Dd80.67.4mm

LD2n3.147.46139.49mm24

第四章光電探頭的設(shè)計(jì)

4.1光電部分的總體設(shè)計(jì)

4.1.1光電部分的構(gòu)成

圖4-1

1.步進(jìn)電機(jī)2.聯(lián)軸器3.支撐

4.連接板5.螺釘6.探頭木體

7.螺釘8.壓圈9.直角反射棱鏡

10.視窗11.螺釘12.套筒

13.CCD攝相頭14.壓圈15.CCD套筒

16.本體后蓋

4.1.2光電部分的工作過程

如上圖所示為，光電部分的總體結(jié)構(gòu)圖。光電部分在進(jìn)行測量時，由步進(jìn)電機(jī)帶動光電

探頭進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。光源發(fā)出光線打到反射棱鏡上，光線經(jīng)過棱鏡照射到管壁上，然后管壁反

射回來的光線又經(jīng)過反射棱鏡，最后照射到CCD攝相頭ho

4.2光電探頭結(jié)構(gòu)方案選擇

管道內(nèi)表面經(jīng)噴沙處理后，形成的粗糙度是分段均勻的，既鋼管的25

噴沙端口最粗糙，中部較細(xì)，末端最細(xì)。因?yàn)槭菑?qiáng)力噴沙，所以管道內(nèi)表面粗糙度再同

一斷面是均勻的。因此，我們有三種設(shè)計(jì)思想：

(1).光電探頭旋轉(zhuǎn)掃描360。，其特點(diǎn)是取樣概率大，準(zhǔn)確度高，但由于旋轉(zhuǎn)一周掃

描給掃描信號電纜的處理帶來了困難，在實(shí)際應(yīng)用中即復(fù)雜又不經(jīng)濟(jì)，且各斷面粗糙度基

本均勻，不必要360°的旋轉(zhuǎn)。

(2).光電探頭旋轉(zhuǎn)掃描90°,即牽引車一次制動時，光電探頭向一個方向旋轉(zhuǎn)

90°,在下一次制動時光電探頭再向相反方向旋轉(zhuǎn)掃描90°,以此類推來實(shí)現(xiàn)對整個管

道內(nèi)壁的完整測量，其優(yōu)點(diǎn)可避免360。掃描電纜帶來的弊端，而且取樣概率可以較好的

滿足設(shè)計(jì)要求。

(3).光電探頭進(jìn)行45°掃描，其中優(yōu)點(diǎn)是可以消除電纜纏繞的影響，掃描概率滿足要

求，但電機(jī)反轉(zhuǎn)次數(shù)多且每次制動后掃描時間長，工作效率底。

經(jīng)比較，選擇第二種方案。根據(jù)技術(shù)要求設(shè)計(jì)儀器。

4.3光電探頭的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.3.1光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

圖4-2光學(xué)原理圖

1.直角反射棱鏡2.光源3.CCD攝相頭

4.3.2光學(xué)系統(tǒng)的工作過程

光學(xué)系統(tǒng)原理如上圖所示，光源發(fā)出的光經(jīng)直角反射棱鏡反射至鋼管表面，鋼管表面反

射的光信息經(jīng)直角反射棱鏡后打在CCD攝相頭上，26

CCD攝相頭把反映鋼管內(nèi)表面質(zhì)量的光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，傳遞到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。經(jīng)微機(jī)

處理，由適當(dāng)?shù)能浖D象信息進(jìn)行分類識別，最后由打印機(jī)打印出。被測鋼管內(nèi)表面的

粗糙度可以由微機(jī)屏幕適時顯示出來。

在光電探頭中的反射棱鏡也可以選用梯形反射棱鏡。但在選用梯形棱鏡時，最好在棱鏡

與CCD接收設(shè)備間加裝透鏡組。而且，梯形棱鏡比直角棱鏡的制造工藝復(fù)雜，所以選擇直

角棱鏡。在本設(shè)計(jì)中由于要縮小光電探頭的整體體積，而且當(dāng)CCD攝相頭接收表面與直角

棱鏡的棱之間的距離在20cm以內(nèi)時，在CCD攝相頭與棱鏡之間不用安裝透鏡系統(tǒng)?？紤]

到該儀器可能要對多種直徑的管道進(jìn)行測量，所以將CCD攝相頭裝在螺紋套筒上，以便調(diào)

節(jié)CCD攝相頭與棱鏡之間的距離。

4.4CCD的基本原理及特性

4.4.1CCD的基本原理

同其它光電效應(yīng)探測器?樣，CCD技術(shù)也以光電效應(yīng)為基礎(chǔ)。同的是，CCD是以電荷而

不是以電流或電壓作為信號。構(gòu)成CCD與大多數(shù)光電器件的基本單元是MOS（金屬一氧化物

一半導(dǎo)體）結(jié)構(gòu)（圖4-3）o在一定的偏壓下，MOS結(jié)構(gòu)成為可存儲電荷的分立勢阱。當(dāng)光照

射到硅片上時，光電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷將存儲在MOS勢阱中。這些勢阱構(gòu)成了CCD的探測微

元。將按??定規(guī)則變化的電壓加到CCD的各電極上時，電極下的電荷將沿半導(dǎo)體表面朝?

定方向移動。所謂電荷藕合便是指勢阱中的電荷從一個電極移向另一個電極的過程。

一個CCD芯片由幾百至上萬個光敏微元組成，這些微元組合成線陣或面陣的CCD探測器.

當(dāng)被測目標(biāo)的光信號通過光學(xué)系統(tǒng)在CCD光

圖4-3

敏元上成像時，CCD器件便將光敏元上的光信號轉(zhuǎn)換成與光強(qiáng)成正比27

例的電荷量，用一定頻率的時鐘脈沖對CCD進(jìn)行驅(qū)動，在CCD的輸出端便可獲得被測目

標(biāo)的視頻信號.視頻信號中每一個離散信號的大小對應(yīng)著一個光敏元所接收光強(qiáng)的強(qiáng)弱，

而信號輸出的時序則對應(yīng)CCD光敏元位置的順序.CCD用自身電子掃描方式完成了信息從空

間域到時間域的轉(zhuǎn)換。

在實(shí)際應(yīng)用中，一個CCD檢測系統(tǒng)包括以下幾個部分，光學(xué)成像物鏡、CCD敏感元件、

CCD驅(qū)動器、視頻處理器、計(jì)算機(jī)接口及圖像處理軟件.圖4-4是一個用線陣CCD作為光

電轉(zhuǎn)換器，通過機(jī)電混合掃描方法獲得二維圖像的檢測系統(tǒng)示意圖

圖4-4

4.4.2CCD的主要特性

CCD具有體積小、重量輕、功耗低、堅(jiān)固耐用、輸出方便、抗外界干擾性強(qiáng)等特征.但是

CCD的優(yōu)良性能遠(yuǎn)不止這些，CCD在光譜學(xué)以及多道分析中的應(yīng)用則和其具有的以下重要

特性有關(guān)：

（1）光譜響應(yīng)范圍寬-般的CCD器件可工作在0.4-1.1}cm的波長范圍內(nèi)，最大響應(yīng)

約在0.9}m.在紫外區(qū)，由于硅片自身的吸收，量子效率下降，但采用背部照射減薄的

CCD,工作波長極限可達(dá)0.1m?

（2）靈敏度高.CCD具有很高的單元光電量子產(chǎn)率，正面照射的CCD的量子產(chǎn)率可達(dá)

20%,若采用背部照射減薄的CCD,其單元量子產(chǎn)率高達(dá)90%以上.另外，CCD的暗電流很

小，檢測噪聲也很低.因此，即使在低照度（10-Zlx）下，CCD也能順利完成光電轉(zhuǎn)換和信號

輸出.

（3）動態(tài)響應(yīng)范圍寬.CCD的動態(tài)響應(yīng)范圍在4個數(shù)量級以上，最高可達(dá)8個數(shù)量級。

（4）光敏元的幾何位置精度高，因此CCD非常適合于幾何尺寸的測量.

（5）容易與計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)，從而組成一個功能強(qiáng)大的自動化測量系28

統(tǒng).

另外，CCD還具有抗過度曝光的性能.過強(qiáng)的光會使CCD的光敏元飽和，但不會導(dǎo)致芯片

損壞，而且CCD的積分時間可以從幾毫秒到上千秒，用戶可根據(jù)實(shí)際情況任意選擇。選擇

小的積分時間（如20ms）,CCD有可能應(yīng)用于某些快速反應(yīng)研究過程中。由于CCD的暗電流

很小，因此在許多應(yīng)用情況下，可以在室溫下使用而不必配備冷卻系統(tǒng)。與PDA、PMT的

性能比較

作為多道集成光信號檢測器，PDA（光電二極管陣列）和CCD在靈敏度和動態(tài)范圍上皆優(yōu)

于傳統(tǒng)的光子計(jì)數(shù)光電倍增管（P.MT）,CCD與PDA的共同特性是它們都能存儲光照射到檢測

器上所產(chǎn)生的光致電荷，這一點(diǎn)與PMT不同.對于PMT,光照射到陰極

將產(chǎn)生一個光電流.

與PMT相比，CCD與PDA具有可進(jìn)行多道分析的天然優(yōu)勢，而且在波長選擇，操作可靠

性等方面也優(yōu)于PMT.

CCD與PDA相比，在弱光檢測方面前者明顯優(yōu)于后者，在過去幾十年中，PDA在光譜分

析應(yīng)用中受到普遍的重視，與其具有的多道特性及其具有較高的量子產(chǎn)率和測定強(qiáng)光能力

有關(guān).但PDA的暗電流和噪聲依然較大，從而限制了它在微弱光信號檢測領(lǐng)域的應(yīng)用。另

外，CCD的價格遠(yuǎn)低于PDA,因此，與PDA相比，CCD是一種更靈敏，更廉價的多道陣列式

檢測器。

4.5光電接受器件CCD的選擇

要檢驗(yàn)管道內(nèi)表面噴砂除銹后錨絞度的A,AB,B,BC,C五個級數(shù)，采用運(yùn)算速度高，

容量大的IBM386微型計(jì)算機(jī)。管道內(nèi)表面粗糙不平的深度為0.02~0.01mm,為此我們選

用象速間距為0.014mm象數(shù)為512位/m線陣CCD器件，則CCD器件的陣列長BM度為：

AL0.0145127.168mm

光電探頭對每一檢測位置作90°扇形掃描，則對內(nèi)徑60的鋼管每次掃描的弧長為：

29

L2R3600023.14300.2547.1mm

則每次掃描的面積為：

300.257.168339.12mm2

4.6掃描電機(jī)的選擇

光電探頭在每前進(jìn)1米后作90°旋轉(zhuǎn)掃描。掃描后所獲得的光信號由512象素的CCD器

件接受并轉(zhuǎn)換電信號輸入IBM386微型計(jì)算機(jī)中處理。為與接受器件CCD的轉(zhuǎn)換速度相匹

配。我們選用了42BYGH型步進(jìn)電機(jī)作為光測頭旋轉(zhuǎn)掃描的電機(jī)。查電機(jī)手冊可知：

電機(jī)的步距角選為每步15°。

空載起功率為3000步/秒

最大靜轉(zhuǎn)距為2kg-cm則每次掃描所用時間為：T

1.50010.02秒300030

第五章微機(jī)控制與圖象處理系統(tǒng)

微機(jī)控制與圖象處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩部分。

5.1微機(jī)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

微機(jī)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)為圖象數(shù)字化設(shè)備、圖象處理器和輸出裝置三部分。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如

圖5-1以下為其設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

5.1.1系統(tǒng)主機(jī)

計(jì)算機(jī)是系統(tǒng)的核心。除作為主控系統(tǒng)外，其更重要的用途是作為圖象處理器。主要功

能是對數(shù)字化后的圖象進(jìn)行各種形式的運(yùn)算處理。對其要求是通用性強(qiáng)、運(yùn)算速度快、具

有相當(dāng)規(guī)模的存儲量和豐富的軟件功能。為此，本系統(tǒng)選用了IBMPC/AT286機(jī)，并利用

其CRT彩色監(jiān)視器和外設(shè)打印機(jī)作為輸出裝置。

圖5-1硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

5.1.2圖象數(shù)字化設(shè)備

圖象數(shù)字化設(shè)備由光電測頭及其控制電路、視頻放大器、采樣保持器和A/D轉(zhuǎn)換器組

成。

在光電測頭中，采用CCD作為圖象傳感器。本系統(tǒng)利用軟硬件控31

制接口設(shè)計(jì)了集成化的CCD驅(qū)動電路，可用來提供CCD在獲取信號過程中所需要的五種

主要驅(qū)動信號滿足了CCD在高頻條件下進(jìn)行快速圖象掃描的要求。光電測頭和牽引車的傳

動控制由位移動控制電路完成。視頻放大器的功能是對CCD輸出的微弱信號進(jìn)行直流分

量恢復(fù)和共模干擾噪聲的抑制并進(jìn)行放大處理，以滿足A/D轉(zhuǎn)換器對電壓幅度的要求。采

樣保持電路S/H的功能是在指定的時刻內(nèi)對輸入信號進(jìn)行采樣處理，并將采樣電平保持下

來成為離散信號。系統(tǒng)中的A/D轉(zhuǎn)換器可對輸入信號按幅度大小進(jìn)行量化和編碼，然后

輸出符合計(jì)算機(jī)要求的數(shù)字信號?？紤]到CCD的視頻輸出大約為L25us/象素，為了與

之匹配，選擇了采樣保持時間和轉(zhuǎn)換時間均小于1口s的AD-585高速采樣保持器和AD-

7821八位高速A/D轉(zhuǎn)換器，以獲得象素可分為256個灰度等級的數(shù)據(jù)輸出。

5.1.3接口控制電路

為滿足系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集、信號處理和CRT顯示刷新過程中貯存容量的要求，設(shè)計(jì)了一個

存儲量為256KB的圖象存儲器，可以用來貯存一幀512